某型航空发动机四支点轴承安装不到位问题分析

摘 要：针对某型航空发动机装配中出现的四支点轴承安装不到位问题，进行了装配结构分析和装配工艺分析，提出了由于轴承安装预紧力作用相对集中及轴承安装边刚性不足造成安装边变形，从而导致轴承安装不到位的结论，并通过Abaqus仿真计算分析，证实了分析结果的正确性，并对此提出改进预防建议。

关键词：航空发动机;轴承;安装工艺;Abaqus;轴承预紧

轴承作为航空发动机的关键件之一，是在高速、高温和受力复杂的条件下工作运转，它的质量直接影响发动机的可靠性，而轴承安装精度是影响轴承质量的重要因素。[1]四支点轴承装配在高低压转子之间，为中介轴承，其安装精度对发动机振动品质和稳定性影响更加敏感。轴承在工作时必须保证有确定的位置，以保证不发生轴向窜动和保持轴承工作的稳定性，因此在装配过程中需要对轴承安装进行检测，并加以控制。

某型航空发动机四支点轴承出现过多次轴承内环轴向装配不到位的情况，即轴承安装后用塞尺检查轴承与轴肩结合部位的间隙，要求0.03mm塞尺不应通过，实际检测结果为，安装边两个螺栓中间位置0.03mm塞尺能通过，安装螺栓处0.03mm不能通过。对轴承、轴肩相关配合尺寸进行测量，尺寸均符合要求，排除了由于机件超差干涉，导致轴承、轴装配不到位的情况。

1 装配工艺分析

1.1 四支点轴承装配结构

四支点轴承为异型内圈短圆柱滚子轴承，轴承内环采用双圆柱面过盈配合定心，靠精密螺栓轴向拉近固定至轴肩，如图1。四支点轴承具有轴向尺寸长、过盈配合面与轴肩定位面轴向距离大的特点。

依据图纸设计尺寸，计算理论状态下轴承与定位轴肩轴向间隙最大值为0.025mm，满足轴承内环轴向装配到位检查的要求。

1.2 四支点轴承装配工艺

四支点轴承与轴为过盈配合，配合紧度为0.065mm～0.089mm。由于轴承配合过盈量较大，因此采用加热安装的方法。[2]将轴承在加温箱中加热至165～175℃，使其内径膨大，此时轴承与轴为间隙配合，将轴承内环安装到轴上，迅速安装工艺螺母，待轴承冷却到室温后，将螺母松开，重新按照十字交叉法拧紧螺母。

对于热装轴承，由于受加热温度的影响，轴承的安装有一个热胀冷缩的阶段。计算由于温差导致轴承以与低涡轴过盈配合面为基准产生轴向收缩。

ΔL=L·α·ΔT=0.11mm

为防止冷却过程中轴承套圈和滚动体以及配合轴发生分离等情况，设计在冷却过程中对轴承施加持续的轴向预紧操作。在四支点轴承装配中，采用安装10件与轴承连接螺栓配合的工艺螺母进行预紧，施加预紧力保证在冷却过程中轴承内环与配合轴保持贴合状态。预紧力作用面为螺栓与轴承安装边接触面范围。

根据过盈配合接触压力公式，[3]计算轴与轴承过盈配合产生的摩擦力。

F=Kr·E·e·μ·πD3·HD2-D3

得到轴与轴承过盈配合产生的摩擦力为F=531800N

轴承装配预紧力与轴向摩擦力大小一致，方向相反，因此轴承装配预紧力为：F′=F=531800N。

1.3 结论

通过分析可知，轴承装配后的冷却过程使轴承有一定的轴向收缩量，而热装装配采用10个轴承安装螺母进行预紧。轴承预紧力较大，且作用面积相对集中，同时轴承安装边为“花瓣形”结构，在一定程度上降低了安装边刚性。因此，热胀冷缩过程中，轴承安装边产生变形，轴承与轴肩结合部位产生大于0.03mm的间隙。

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型的建立

将轴承内环和轴的UG模型导入有限元软件Abaqus中，并进行合理简化。对轴承内环和轴进行网格划分，采用四面体网格C3D4T，划分单元数为155884。并根据材料属性对模型进行设置。

2.2 边界条件及载荷

根据轴承装配过程，对模型进行约束。首先，选取一个端面对轴进行固定。轴承与轴过盈配合面A为约束Contact，二者有热胀冷缩产生的相对运动。螺栓连接保证轴承在冷却过程中，与轴之间无轴向相对运动，因此使用约束Tie模拟轴承与轴连接面B，约束作用面为螺栓与轴承内环接触的“圆环形”面积。

模型初始温度为：轴承165℃、轴25℃，最终温度为：轴承25℃、轴25℃。

2.3 计算结果及分析

计算冷却后轴承安装边与轴肩的轴向相对位移，即二者轴向间隙，结果如图4，轴承安装边两两螺栓安装孔中间位置的变形量最大，约0.051mm，与轴承装配不到位的问题现象基本吻合。结果表明，轴承加温热装然后冷却的过程中，发生轴向收缩变形，轴承与轴过盈配合处摩擦力与螺栓产生预紧力相互作用，最终轴承安装边产生变形，导致轴承不能安装到位，与1.3节分析结论一致。

3 结论及展望

本文对四支点轴承安装不到位问题进行分析，通过工艺分析、仿真计算，得到了以下结论：（1）由于轴承装配预紧力施加集中和安装边刚性不足，导致安装边变形，从而贴合面有间隙产生，造成四支点轴承安装不到位。（2）为预防问题的再次发生，建议从以下方面采取措施：改进轴承预紧工艺，设计专用轴承预紧工装，增加预紧力作用面积;提高轴承安装边刚性。

参考文献：

[1]曹艳，张伟，周平.航空发动机轴承安装工艺研究[J].航空科学技术，2014，25（04）：46-49.

[2]刘泽九.滚动轴承應用手册[M].北京：机械工业出版社，2007：611-656.

[3]蔡凡，李初晔，马岩.过盈配合产生的接触压力和拔出力计算[J].机械设计与制造，2010（10）：7-9.

[4]陆朝.轴承的预紧浅探[J].石河子科技，2009（1）：29-30.

[5]王文斌.机械设计手册（第3卷）[M].北京：机械工业出版社，2009.

作者简介：孙慧洁（1989-），女，山东济南人，工程师，主要研究方向：航空发动机装配工艺。